平山造城工程下的延安新區河網水系演變

許曉露，郝利娜，2，劉漢湖，趙美齡，孟田，蔣川東

（1.成都理工大學 地球科學學院，四川 成都 610059；2.成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059）

0 引 言

河流是自然界重要的生態系統之一，不僅具有棲息地、過濾、屏蔽等生態功能，而且還承擔了運輸水道、防洪排澇等社會功能［1-2］。目前，我國城市化進程加快，城市擴張過程中對坑塘河流等大多采取填埋、硬化或改造為暗渠等措施，改變了河流水系的數量與結構［3-4］。已有對河網密集、城市化進程較快平原地區河流的研究多集中于長江中下游平原與東南沿海區域，如林芷欣等［5］通過探討不同城市擴張方式對不同等級水系的干擾程度，揭示城市化進程對蘇州市河流結構發育的顯著影響，河流結構穩定性隨城市化進程的加快而降低；蔣祺等［6］運用城市擴張強弱與快慢和同期水系變化指標分析，得到長沙市城市建設用地對城市水系數量及形態變化有直接影響，各時期城市擴展強度與水系衰減速度呈正相關關系；鄧曉軍等［7］通過構建定量描述河流水系變化特征的指標體系，表明嘉興市城市化對河流變化的影響十分顯著，城市化水平越高的地區河流水系變化越劇烈；周洪建等［8］利用多源數據分析了近30年深圳觀瀾河流域河網變化規律，表明城市化水平越高，城鎮用地擴展對河網的影響越小。地勢復雜的丘陵山地地區有關河網演變的研究較少。此外，河流水系形成及演變與所處的地理環境和人類活動緊密相關，不同地理環境和人類活動影響下，河網水系的演變規律存在較大差異［9］。因此，對河網水系的演變研究應結合區域的具體特征開展。延安地處黃土高原中南部丘陵溝壑區，城市發展空間不足嚴重制約著經濟社會發展。因此，實施了平山造城工程對城市進行擴容，在延安北部建造了總占地面積為78.5 km2的新區［10］。平山造城工程實施過程中，削山、填溝等工程活動對該區域的水文地質和河流水系產生了較大影響。

本文以ASTER GDEM和資源三號衛星數據為基礎，以延安新區為研究對象，利用ArcGIS水文分析模塊對延安新區平山造城工程實施前（2009年）、實施前期（2013年）和實施中后期（2017年）的水系進行提取與對比，分析延安新區河網水系演化特征，結合不同時期平山造城工程進展，探討平山造城工程對河網水系演化的影響。

1 研究區概況與數據處理

1.1 研究區概況

延安市位于黃河中游的黃土高原丘陵溝壑區，區內地勢起伏較小，海拔900～1 297 m，地貌以黃土高原、丘陵為主，主要出露第四系黃土地層，下覆基巖為侏羅系砂巖、泥巖。延安城區水系較多，延河穿城而過，西川、杜甫川等支流密集，地形復雜，為典型的線形城市。寶塔山、清涼山、鳳凰山高高聳峙，夾在周圍，三面合圍的山崖底部，延安城區密集地分布在一個“Y”字形的三條主川道中（圖1）。該區為高原大陸性季風氣候，受制于季風環流，降水多集中于夏季，且多暴雨［11］。延安新區位于延安市清涼山北部、寶塔山東南及鳳凰山西側的黃土溝壑地帶，按照“依托老城，沿川展開，整流域治理”的原則，實施“中疏外擴、上山建城”的發展戰略，通過“削山、填溝、造地、建城”對城市進行擴容，最終建成了建設面積為78.5 km2的新區。延安新區平山造城工程是目前世界上在濕陷性黃土溝壑地區開展的規模最大的巖土工程，在世界建城史上也少有先例。如此宏大的平山造城工程建設相當于在黃土溝壑地區進行一次“大手術”，其作用速度和強度遠超地質營力，嚴重影響地質環境，使得黃土高原生態環境脆弱性問題進一步加劇，并導致災變不斷發生［12］。

圖1 研究區位置圖（Landsat TM 321波段組合）Fig.1 Location diagram of the study area（Landsat TM 321 band combination）

1.2 數據源及預處理

延安新區城市擴容動態變化研究采用2009年Landsat TM影像數據和2013，2017年LandsatOLI影像數據。通過輻射定標、大氣校正等處理后對研究區平山造城工程范圍進行人工解譯。

河流水系變遷研究所用DEM數據分別來自2009年的ASTER GDEM影像數據和2013，2017年的資源三號影像數據。其中ASTER GDEM影像數據的空間分辨率為30 m，提取的水系結果基于同期Google Earth高分辨率數據進行對比修改；資源三號影像數據包括空間分辨率為2.1 m的正視影像、3.5 m的前后視影像和5.8 m的多光譜影像，利用正視和后視影像，通過輸入立體像對→相對定向→絕對定向→生成核線影像→DEM提取與編輯等過程獲得空間分辨率為10 m的DEM數據，最后校正DEM數據［13-15］。

以DEM數據為基礎，利用ArcGIS水文分析模塊提取研究區水系。由于本次水系提取未考慮降雨、土壤滲透率和植被吸水等因素，因此采用D8算法獲取流向數據［16］。首先根據流向數據獲得研究區中的洼地區域并計算洼地深度，以最大洼地深度為參考設置合理填洼閾值對洼地進行填充，填充完后檢查無洼地DEM數據，反復填充直至洼地DEM數據生成；再根據生成的無洼地DEM數據獲取流向，計算匯流累積量，采用地表徑流漫流模型［17］，以水流方向和匯流累積量為基礎，設置合理的集水面積閾值提取水系，通過設置12個大小不同的0.1～1.6 km2集水面積閾值，獲得不同的河流柵格數據，以所得河流柵格數據和流向柵格數據為基礎，獲取研究區子流域，將獲得的流域數據矢量化，依據面積大小對子流域統計和編號；最后對河流柵格數據矢量化，生成河網。通過計算不同閾值下的河網密度［18-20］，確定研究區河網水系的最佳集水面積閾值為1.1 km2，水系提取流程如圖2所示，提取的不同時期水系分布見圖3。此時，河網曲線較光滑，未產生斷線，地勢較緩區域的平行線消失，偽河道消除，水系提取結果與實際地形地貌相符。

圖2 水系提取流程Fig.2 Flow chart of drainage extraction

圖3 研究區不同時期水系分布Fig.3 Drainage distribution of the study area in different period

2 研究方法

對提取的水系分別采用斯特拉勒（STRAHLER）分級法、施里夫（SHREVE）分級法和傳統地理學河流分級法進行分級并對比研究，分級結果表明，STRAHLER分級法和SHREVE分級法區分干流和支流較混亂，在對比分析各級河流變化時描述不準確，因此根據研究區河流水系的自然特征，采用傳統地理學河流分級法將區內河流分為三級［21-22］：延河干流為Ⅰ級河流，直接匯入延河干流的次級河流為Ⅱ級河流，匯入Ⅱ級河流的次級河流為Ⅲ級河流。河流水系的演化研究選取河流長度和河網密度分析水系數量變化特征，選取河流發育系數和河流彎曲系數分析河網結構特征［23-24］。

2.1 水系數量特征

（1）河流長度LR。通過對比分析不同時期、不同級別的河流長度，揭示河流的數量變化特征。

（2）河網密度DR。研究區內河流長度LR與流域面積A的比值。河網密度越大，表明流域內河流總長度越大，用于表征河流長度發育程度［23，25］。計算式為

2.2 水系結構特征

（1）河流發育系數Kω。研究區內各級河流長度與干流長度的比值，河流發育系數越大，表明支流發育程度越高，對徑流的調節越有利［23，25］。計算式為

式中：Lω為ω級河流長度；L1為干流長度。

（2）河流彎曲系數S。河流干流長度LI與干流兩端點間直線距離La的比值，河流彎曲系數越大，表明河流自然特性越強［23，25］。計算式為

3 結 果

3.1 延安新區發展變化

為解決延安城市發展空間不足、城景爭地、交通擁堵、群眾難以安居、革命舊址被擠壓蠶食等問題，延安新區平山造城工程項目于2012年4月開工。一期項目主要為土地整理、邊坡防護、防洪等基礎建設，即削山填谷（圖4）。圖4顯示，2009年平山造城工程還未啟動，為原始地貌；2013年，工程新區范圍增至12.36 km2，占研究區總面積的3.98%，此時大量山脊被削平，溝谷被填平，大部分區域呈推土狀，僅有部分建筑；2017年，工程范圍增加到20.84 km2，相比2013年增加了8.48 km2，增幅達68.61%，工程擴大區域呈推土狀，原推土范圍內建筑林立，已初具城市規模。

圖4 平山造城工程范圍進展Fig.4 Progress of mountain excavation and city construction region

3.2 水系數量特征變化

2009—2017 年平山造城工程區域內水系河流長度和河網密度呈下降趨勢，如表1～2所示。河流長度從224.89 km減少至208.01 km，下降了7.51%；河網密度從0.751 km／km2減少至0.700 km／km2，下降了6.84%。其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級河流長度分別減少了0.26，3.24，13.38 km，Ⅲ級河流減幅最大，占減少總長度的79.27%。

表1 各級河流不同時期的長度Tab.1 Lengths of rivers in different periods

從河流減少幅度看，2009—2013年，河流長度減少了11.53 km，其中Ⅲ級河流減幅最大，減少了10.35 km，Ⅰ、Ⅱ級河流長度分別減少了0.05，1.13 km；河網密度從0.751 km／km2減少至0.718 km／km2，減幅為4.43%。2013—2017年，河流長度減少了5.35 km，其中Ⅲ級河流減少3.03 km，Ⅰ、Ⅱ級分別減少0.21，2.11km；河網密度從0.718 km／km2減少至0.700 km／km2，降幅為2.51%。

從河流減少速度看，2009—2013年河流長度減少11.53 km，河網密度減少0.033 km／km2；2013—2017年河流長度減少5.35 km，河網密度減少0.018 km／km2。2013—2017年河流長度與河網密度減少速度較2009—2013年慢，說明大規模的削山、填溝活動發生在工程前期。其中Ⅲ級河流長度在2009—2013年減少了10.35 km，2013—2017年減少了3.03 km，減速速較2009—2013年慢；而Ⅰ、Ⅱ級河流長度在2009—2013年分別減少了0.05，1.13 km，2013—2017年分別減少了0.21，2.11 km，減速均較2009—2013年快，表明工程前期對低級別河流影響較大，中后期高級別河流逐漸被影響。

表2 研究區不同時期的河網密度Tab.2 Network densities of rivers in different periods

3.3 水系結構特征變化

從水系的河流彎曲系數看，2009—2017年，延河的河流彎曲系數從1.67降至1.64，其中2009—2013年，河流彎曲系數下降了0.01，降幅達0.38%，2013—2017年降幅達1.36%（表3）。從河流發育系數看（表4），2009—2017年，Ⅱ、Ⅲ級河流發育指數均呈下降趨勢，分別下降了1.86%和16.53%，表明Ⅱ、Ⅲ級河流調蓄作用被削弱。2009—2013年，Ⅱ、Ⅲ級河流發育系數呈下降趨勢，Ⅱ級河流發育系數下降了0.04，降幅達0.79%，Ⅲ級河流發育系數降幅較大，為13.21%；2013—2017年，Ⅱ、Ⅲ級河流發育系數仍呈下降趨勢，但Ⅱ級河流發育系數降幅較Ⅲ級的小，表明等級越低的河流受工程影響越大。此外，與2009—2013年相比，2013—2017年Ⅲ級河流發育系數下降更為緩慢，Ⅱ級河流發育系數下降更快，河流彎曲系數下降更快，表明前期低級別河流減少更多，變化更快，高級別河流變化較小，隨著時間推移，高級別河流逐漸被影響。

表3 延河不同時期的河流彎曲系數Tab.3 River bending coefficients of Yanhe River in different periods

表4 各級河流不同時期的河流發育系數Tab.4 River development coefficients of all levels in different periods

4 平山造城工程對河流水系影響

2009，2013和2017 年提取的水系格局結果表明，隨著時間推移，研究區河流長度和河網密度持續下降，水系衰減的主要特征為低等級河流持續減少，高等級河流變化較小。2009—2017年，河流長度減少16.88 km，河網密度減少0.051 km／km2，其中Ⅲ級河流長度減少了13.38 km，占減少總長度的79.27%；2009—2013年，Ⅲ級河流長度減少了10.35 km，河流減少主要集中在平山造城工程項目的中心區域（圖5），Ⅰ、Ⅱ級河流長度變化不大，表明在項目初期，大量工程建設導致低等級河流通過削山、填溝等方式被迅速掩埋以至消失（圖4）；2013—2017年，隨著工程推進，工程范圍進一步擴大，高一級河流逐漸受到影響，Ⅲ級河流被填平的同時，部分Ⅱ級河流被掩埋。同時，新區建設工程在逐步開展，為了更好地防洪排水，對河流進行改造，使得河流形態進一步發生改變，由于平山造城工程選址距延河主干流較遠，對其影響較小，因此主干流僅產生了微小變化，共減少0.26 km，主要集中在距新區約3.2 km的河莊坪鎮附近。該區域干流變化是由于增加了河流防洪等功能，開展新邦河堤工程，對河道裁彎取直造成的［26］。

圖5 研究區河流變化Fig.5 River variations in the study area

水系結構變化顯示，Ⅲ級河流發育系數低于Ⅱ級河流的。2009—2017年，延河河流彎曲系數從1.67下降至1.64，河流自然特性減弱；Ⅲ級河流發育系數由2.66下降到2.22，Ⅱ級河流發育系數由4.06下降到3.98，表明隨著平山造城工程項目開展，大量低等級河流減少直至消失，支流衰減，河流結構受到干擾，調蓄能力減弱，發生洪澇等自然災害的風險增大。

水系數量和結構演變過程顯示，工程前期削山填溝等活動（圖4）對Ⅲ級河流影響較大，導致部分Ⅲ級河流消失，而對Ⅱ級和Ⅰ級河流影響較小。隨著工程持續推進，削山、填溝活動逐漸減弱，被大規?！敖ǔ恰被顒尤《▓D4），造成Ⅲ級河流減少甚至消失，Ⅲ級河流的持續減少逐漸影響到Ⅰ和Ⅱ級河流，并造成少量Ⅰ和Ⅱ級河流消失。

5 結 論

（1）2009—2013年，研究區河流長度和河網密度呈下降趨勢，其中Ⅲ級河流減幅最大，減少區域主要集中在延安新區，與平山造城工程項目開展有關；到2017年，河流長度與河網密度仍呈下降趨勢，但較2009—2013年下降更為緩慢。

（2）從水系結構特征看，2009—2017年，延河河流彎曲系數下降，河流自然特性減弱；Ⅱ、Ⅲ級河流發育系數呈下降趨勢，表明Ⅱ、Ⅲ級河流調節作用減弱。Ⅲ級河流發育系數降幅較Ⅱ級河流的大，表明等級越低的河流發育系數減少得越多，受平山造城工程活動影響越大。

（3）隨著平山造城工程項目開展，低級河流被改造、填埋，研究區河流長度與河網密度持續下降，河流彎曲系數也呈下降趨勢，河流自然特性減弱，Ⅱ、Ⅲ級河流發育系數下降，Ⅲ級河流發育系數遠低于Ⅱ級河流的，降幅也更大，表明隨著時間推移，支流衰減，河流結構受到干擾，河流水系的自然調蓄能力減弱，使得在極端降雨等事件下遭受洪澇等自然災害的風險增大。

在平山造城過程中，需注重協調城市發展與河流保護的關系，提升高級別河道水系應對洪澇災害的調蓄能力，利用工程措施等提升干流泄洪能力，如實施河道清淤疏浚、河湖復堤等整治拓浚工程，同時加強對各級支流的保護，替代性恢復被填平河道和低等級水系，增溝造渠，提高區域水系調蓄能力。